为什么光速是绝对的,而速度是相对的?
所谓光速的绝对性是指,光速相对于任何参照系以及不同能量(频率或颜色)的光都是不变的。因此,光速被认为是自然界中一个非常神秘的常数。然而,光是一种自然现象,在现实的世界中,不存在任何绝对的东西。因而,光速不变的绝对性,只是我们对光速不变的特性所做出的矫枉过正的解读。
类似的例子还有很多。例如,过去的质量守恒定律,质量被认为是物质所固有的含量,其具有绝对的不灭性。然而,放射性元素的被发现,当重元素衰变为轻元素时,有部分质量转变为能量。于是,质量的超然地位及其神秘性不复存在了,其只是能量的聚集,是被封闭的粒子关于其空间效应的度量。
光速不变的绝对性,是爱因斯坦从光速不变的现象归纳出来的。由于自然界存在着质的变化,使归纳法的应用受到了限制。一旦归纳出的规律超出了质变的范围,该规律就失效了,从而限制了规律的绝对性。
比如,迈克尔逊-莫雷实验的零结果,意味着光速与光源相关;而双星实验中的星光,具有频率的周期性变化,又说明光速与光源无关,而与空间相关。对于这对矛盾的现象,有两种不同的解决方案。其一是提出一个物理机制,使对立的现象分隔在不同的区域,从而化解了矛盾;其二是爱因斯坦的做法,他认为所有参照系中的光速都是一样的,用光速不变的绝对性来消除对立的现象。
然而,在现实的世界中,参照系的性质是不同的。这也是物体的运动具有物理意义的原因,即速度只有相对于物理背景的运动才是有意义的。例如,我们在河水中游泳,水流是物理背景,其是我们运动的参照系。只有相对于河水的运动,才会对我们产生阻力。至于岸边的人或树木,他们与我们的相对运动,只是表观的运动,并没有实际的物理意义。
类似于声障,相对于物理背景的运动速度越大,该背景对运动物体的影响也就越大,从而使之产生了相应的变化。这就是空间的运动效应,结合狭义相对论就是相对论效应,如尺缩、钟慢和质增等。
然而,根据狭义相对性原理,所有的参照系都是完全相同的,那么究竟哪个参照系上的孪生兄弟更年轻呢?参照系的绝对相同,取消了运动的物理意义,因而相对性效应仅只是数学的变换。
比如,如果我们固执地认为人的体重是绝对不变的。于是,要求在任何维度上称量体重都是一样的(货物交易就是如此要求的)。然而,地球是椭圆的,不同维度的重力是不一样的。于是,只有修正不同地区的体重秤,使它们得出的读数保持不变。由此,各地的修正值就成为了相对论效应,因而其只是数学上的变换。这就好比我们用不同的语言说同一句话,虽然发音不同,但意思却是不变的。
实际上,光速相对于物理背景和能量,只具有相对的不变性。因而,光速c只是一个普通的物理参量。由于物理背景的存在,物体的能量有两种存在形式,即动能与势能。低速时,以动能为主;高速时,则以势能为主。这就是为什么,在高速时,物体的运动具有速度不变性的原因。
由于光子的质量非常小,以至于其动能远小于势能。所以,光速是光子维持其势能的速度,具有相对于物理背景和能量的近似不变性。例如,不同能量(颜色)的光速是不同的,蓝光快于红光,只是两者的速度差与光速c相比是远小于1的。
总之,只有相对的绝对,没有绝对的相对。由于物体的运动只有相对于物理背景才具有绝对的物理意义,因而不存在光速不变的绝对性。随着宇宙的膨胀,作为物理背景的量子空间会持续地降低其密度。于是,光速也会相应地不断增大,直至过渡到经典力学的情况。那时,光子的能量全部都是动能,从而使光速达到了最大值,光子也由此成为了自由的粒子。